(57)【要約】【課題】小型化によるアイソレーションの劣化を補うことのできる高周波モジュールおよび無線通信装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の高周波モジュールは、送信信号と受信信号とを切り分けるためのアンテナ共用器３と、該アンテナ共用器３の送信側に接続される電力増幅回路２と、前記アンテナ共用器３の受信側に接続される受信信号出力端子５３とを具備する高周波モジュールであって、前記アンテナ共用器３と前記受信信号出力端子５３との間には前記送信信号の漏れをフィルタリングするためのバンドエリミネーションフィルタ４が設けられていることを特徴とするものである。【選択図】図１
2007124093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信信号と受信信号とを切り分けるためのアンテナ共用器と、該アンテナ共用器の送信側に接続される電力増幅回路と、前記アンテナ共用器の受信側に接続される受信信号出力端子とを具備する高周波モジュールであって、前記アンテナ共用器と前記受信信号出力端子との間にバンドエリミネーションフィルタが設けられていることを特徴とする高周波モジュール。
【請求項２】
前記バンドエリミネーションフィルタが、前記電力増幅回路への送信電力の大きさに応じて接続または切断するスイッチを介して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の高周波モジュール。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の高周波モジュールを内部に搭載したことを特徴とする無線通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯型情報端末機、携帯電話等の電子通信機器・電子通信装置等に用いられる高周波モジュールに関し、特にＣＤＭＡ方式の端末装置に使用される高周波電力増幅回路、高周波フィルタ回路、高周波アンテナ共用器などを一体構成した小型・高性能かつ低価格な高周波モジュール及びこれを内部に搭載した無線通信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、高周波モジュールは、図６の一点鎖線で囲まれる領域に示されるような回路構成を有している（例えば特許文献１参照）。図において、１０１は送信信号入力端子、１０２は送信フィルタ、１０３は電力増幅回路、１０４はアンテナ共用器、１０５はアンテナ接続端子、１０６は受信信号出力端子であり、これらがモジュール基板上に搭載またはモジュール基板の表面もしくは内部に形成されてなるものである。このような高周波モジュールは、装置の回路基板上で、アンテナ接続端子１０５にはアンテナ１０７が接続されて、また受信信号出力端子１０６には入力整合回路１０８を介してローノイズアンプ１０９が接続されて使用される。
【０００３】
送信信号入力端子１０１から入力された送信信号は、送信フィルタ１０２で受信感度を劣化させないよう、送信信号に含まれる不要成分を除去され、電力増幅回路１０３で信号増幅される。そして、増幅された送信信号は、アンテナ共用器１０４およびアンテナ接続端子１０５を経てアンテナ１０７から空中へ放射されるようになっている。
【０００４】
一方、アンテナ１０７から入力された受信信号は、アンテナ接続端子１０５およびアンテナ共用器１０４を経て、受信信号出力端子１０６から出力される。そして、受信信号出力端子１０６から出力された受信信号は、入力整合回路１０８を介してローノイズアンプ１０９へ入力され、その後、復調機能をもつ受信回路へ入力され、携帯電話の場合は音声として出力されるようになっている。
【特許文献１】特開２００５−１２３９０９
【特許文献２】特開２００２−２１７７７４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、携帯用の電子機器においては、近年、小型化が優先されて設計され、アンテナ共用器１０４には、表面弾性波素子を用いた小型なアンテナ共用器が搭載されたモジュールが採用されている。しかしながら、小型なアンテナ共用器では、共振素子のＱ値が不足することにより、送信―受信間のアイソレーション特性が不十分であったり、また、送信回路と受信回路の距離が接近すると、送信信号の受信回路に対するアイソレーションが不十分になるという課題がある（特許文献２参照）。
【０００６】
送信信号の受信回路に対するアイソレーションが不十分となると、受信回路へ送信信号の漏れが大きくなることになり、これにより、シングルトーン妨害比の規格が満たされなくなる。ここで、シングルトーン妨害比とは、受信感度とアンテナから入力する妨害信号のレベルの関係についての仕様で、機器の仕様のひとつである。このシングルトーン妨害比が悪化する原因としては、妨害信号の両サイドに送信信号の変調成分が発生(クロスモジュレーションと呼ばれ非線型素子の３次の項が原因で発生)し、この変調成分の一部が受信のＩＦ帯域内に落ち込み、希望信号の歪みとなってあらわれるためである。特に、ローノイズアンプの非線形性が原因で変調成分が発生する。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、小型化によるアイソレーションの劣化を補うことのできる高周波モジュールおよび無線通信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の高周波モジュールは、受信回路における送信信号の漏れを阻止するためのバンドエリミネーションフィルタを、モジュールの受信信号出力端子とモジュール内のアンテナ共用器の受信端子との間に設けたものである。
【０００９】
すなわち本発明は、送信信号と受信信号とを切り分けるためのアンテナ共用器と、該アンテナ共用器の送信側に接続される電力増幅回路と、前記アンテナ共用器の受信側に接続される受信信号出力端子とを具備する高周波モジュールであって、前記アンテナ共用器と前記受信信号出力端子との間にバンドエリミネーションフィルタが設けられていることを特徴とする高周波モジュールである。なお、バンドエリミネーションフィルタとして直列共振を利用したものを用い、これをを並列に追加する方法で設けてもよく、バンドエリミネーションフィルタとして並列共振を利用したものを用い、これを直列に追加する方法で設けてもよい。これにより、小型化によるアイソレーションの劣化を改善できる。
【００１０】
ここで、前記バンドエリミネーションフィルタが、前記電力増幅回路への送信電力の大きさに応じて接続または切断するスイッチを介して設けられているのが好ましい。なお、この場合のバンドエリミネーションフィルタとしては直列共振を利用したものを用い、これを並列に追加する方法で設けてもよい。
【００１１】
バンドエリミネーションフィルタを設けることによって、受信信号のロスが増加してしまう。一方、送信電力が小さい場合には、クロスモジュレーションの発生レベルが小さいので、バンドエリミネーションフィルタはそれほど必要はない。そこで、電力増幅回路への送信電力が大きい場合にはバンドエリミネーションフィルタを機能させ、電力増幅回路への送信電力が小さい場合にはバンドエリミネーションフィルタを機能させないような構造、すなわち電力増幅回路への送信電力の大きさに応じて接続または切断するスイッチを設け、電力増幅回路への送信電力が小さい場合にはスイッチを開放させる（切断する）ことで、受信信号のロスの影響を最小限にできる。
【００１２】
また本発明は、前記高周波モジュールを内部に搭載した無線通信装置である。これにより、小型かつ優れた特性の無線通信装置を得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、装置の小型化による送信回路と受信回路とのアイソレーション劣化を改善でき、装置の小型化とシングルトーン妨害比の規格準拠の両立を実現できる。また、携帯端末機などの無線通信装置において、本発明の高周波モジュールを搭載することにより、小型かつ優れた特性の無線通信装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。    
図１は本発明の高周波モジュールの構成例を示すブロック図であり、図２は本発明の高周波モジュールの外観斜視図である。
【００１５】
本発明の高周波モジュールは、図１の一点鎖線で囲まれる領域に示されるような回路構成を有しており、送信信号入力端子５１、送信フィルタ１、電力増幅回路２、アンテナ共用器３、アンテナ接続端子５２、受信信号出力端子５３およびバンドエリミネーションフィルタ４が、図２に示すモジュール基板６上に搭載またはモジュール基板６の表面もしくは内部に形成されてなるものである。このような高周波モジュールは、これが実装される回路基板上で、受信信号出力端子５３に入力整合回路８１を介してローノイズアンプ８２を接続するとともに、アンテナ接続端子５２にアンテナ８３を接続して使用される。
【００１６】
送信信号入力端子５１から入力された送信信号は、送信フィルタ１で受信感度を劣化させないよう、送信信号に含まれる不要成分を除去され、電力増幅回路２で信号増幅される。そして、増幅された送信信号は、アンテナ共用器３およびアンテナ接続端子５２を経てアンテナ８３から空中へ放射されるようになっている。
【００１７】
一方、アンテナ８３から入力された受信信号は、アンテナ接続端子５２およびアンテナ共用器３を経て、受信信号出力端子５３から出力される。そして、受信信号出力端子５３から出力された受信信号は、入力整合回路８１を介してローノイズアンプ８２へ入力され、その後、復調機能をもつ受信回路へ入力され、携帯電話の場合は音声として出力されるようになっている。
【００１８】
アンテナ共用器３は、送信用フィルタ及び受信用フィルタを含む回路であり、これらのフィルタの方式は限定されないが、例えば、誘電体からなるモジュール基板６上に設けられた弾性表面波（ＳＡＷ）素子により構成されることが好ましい。これにより、高周波モジュールの小型化を実現できる。また、弾性表面波素子に代えて、ＢＡＷ(Bulk Acoustic Wave)素子で構成すれば、小型化と耐電力の維持を両立できる。
【００１９】
送信フィルタ１は、アンテナ共用器３と同様、例えば、誘電体上に形成された弾性表面波（ＳＡＷ）素子により構成されることが好ましい。これにより、高周波モジュールの小型化を実現できる。また、弾性表面波素子に代えて、ＢＡＷ(Bulk Acoustic Wave)素子で構成してもよい。
【００２０】
電力増幅回路２の構成は、限定されないが、好ましくは、高周波信号を増幅する機能を持ち、小型化、高効率化を図るためにＧａＡｓＨＢＴ（ガリウム砒素ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ）構造、又はＰ−ＨＥＭＴ（Pseudomorphic High Electoron Mobility Transistor）構造のＧａＡｓトランジスタやシリコントランジスタを含む半導体素子とこの半導体素子に電源を供給するバイアス回路と負荷との整合をとるための出力整合回路で形成されている。このバイアス回路と出力整合回路は、モジュール基板６に内装するのが、小型化のために好ましい。
【００２１】
モジュール基板６は、誘電体層を複数層積層してなる誘電体基板と、その表面や内部に導体からなる配線導体層が形成されてなるものである。例えば、ガラスエポキシ樹脂などの有機系誘電体基板に対して、銅箔などの導体によって配線導体層を形成し、積層して熱硬化させたもの、または、セラミック材料などの無機系誘電体基板グリーンシートに種々の配線導体層を形成し、これらを積層後同時に焼成したものが用いられる。
【００２２】
上記セラミック材料としては、（１）Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣなどを主成分とする焼成温度が１１００℃以上のセラミック材料、（２）金属酸化物の混合物からなる１１００℃以下、特に１０５０℃以下で焼成される低温焼成セラミック材料、（３）ガラス粉末、あるいはガラス粉末とセラミックフィラー粉末との混合物からなる１１００℃以下、特に１０５０℃以下で焼成される低温焼成セラミック材料の群から選ばれる少なくとも１種が選択される。
【００２３】
前記（２）の混合物としては、ＢａＯ−ＴｉＯ２系、Ｃａ−ＴｉＯ２系、ＭｇＯ−ＴｉＯ２系等のセラミック材料が用いられる。これらのセラミック材料に、ＳｉＯ２、Ｂｉ２Ｏ３、ＣｕＯ、Ｌｉ２Ｏ、Ｂ２Ｏ３等の助剤を適宜添加したものも用いられる。
【００２４】
前記（３）のガラス組成物としては、少なくともＳｉＯ２を含み、Ａｌ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＰｂＯ、アルカリ土類金属酸化物、アルカリ金属酸化物のうちの少なくとも１種以上を含有したものであって、具体的には、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＲＯ系、ＳｉＯ２−ＢａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＲＯ系、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＲＯ系、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＲＯ系、さらにはこれらの系にＺｎＯ、ＰｂＯ、Ｐｂ、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２等を配合した組成物が挙げられる。また、前記（３）のガラスとしては、焼成処理することによっても非晶質ガラス、また焼成処理によって、アルカリ金属シリケート、クォーツ、クリストバライト、コージェライト、ムライト、エンスタタイト、アノーサイト、セルジアン、スピネル、ガーナイト、ディオプサイド、イルメナイト、ウイレマイト、ドロマイト、ペタライトやその置換誘導体の結晶を少なくとも１種を析出する結晶化ガラスなどが用いられる。また、前記（３）におけるセラミックフィラーとしては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２（クォーツ、クリストバライト）、フォルステライト、コージェライト、ムライト、ＺｒＯ２、ムライト、フォルステライト、エンスタタイト、スピネル、マグネシア、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、ＭｇＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３などのチタン酸塩の群から選ばれる少なくとも１種が挙げられ、ガラス２０〜８０質量％、フィラー２０〜８０質量％の割合で混合されることが望ましい。
【００２５】
一方、配線導体層は、誘電体基板と同時焼成して形成するために、誘電体基板を形成するセラミック材料の焼成温度に応じて種々組み合わせられる。例えば、セラミック材料が前記（１）の場合、タングステン、モリブデン、マンガン、銅の群から選ばれる少なくとも１種を主成分とする導体材料が好適に用いられる。また、低抵抗化のために、銅などとの混合物としてもよい。セラミック材料が前記（２）（３）の低温焼成セラミック材料を用いる場合、銅、銀、金、アルミニウムの群から選ばれる少なくとも１種を主成分とする低抵抗導体材料が用いられる。
【００２６】
また、ビアホール導体は、誘電体層に形成した貫通孔にメッキ処理するか、導体ペーストを充填するかして形成される。
【００２７】
特に、セラミック材料を用いれば、セラミック誘電体からなる基板の比誘電率は通常９から２５と樹脂基板に比べて高いので、誘電体層を薄くでき、誘電体層に内装された回路の素子のサイズを小さくでき、素子間距離も狭くすることができる。
【００２８】
とりわけ、ガラスセラミックスなどの低温で焼成が可能なセラミック材料を用いると、前述したように、導体パターンを低抵抗の銅、銀などによって形成することができるので望ましい。
【００２９】
そして、図１に示すように、受信信号出力端子５３とアンテナ共用器３との間には、アンテナ共用器３で除去しきれなかった送信信号の通過を阻止するためのバンドエリミネーションフィルタ４が接続されている。なお、バンドエリミネーションフィルタ４として直列共振を利用したものを用い、これをを並列に追加する方法で設けた構造を図示している。この他にも並列共振を利用したものを用い、これを直列に追加する方法で設けてもよい。具体的には、例えばモジュール基板６の内部に形成されたストリップライン共振器とキャパシタンスにより構成される。このような構造のバンドエリミネーションフィルタ４は、送信信号のみを除去し、受信信号は通過させるので、アンテナ共用器３で除去しきれずに漏れてきた送信信号の通過を阻止することができる。なお、バンドエリミネーションフィルタ４の特性が基板内部にストリップライン共振器とキャパシタンスを形成するだけでは実現できなかった場合、例えば、ストリップライン共振器のＱ値が不足していた場合、コイルやコンデンサ等のチップ部品をモジュール基板上に実装して構成してもよい。
【００３０】
なお、送信フィルタ１、電力増幅回路２、アンテナ共用器３、バンドエリミネーションフィルタ４などをモジュール基板６上に搭載またはモジュール基板６の表面もしくは内部に形成した後、全体を樹脂封止して構成すれば、樹脂モジュール化を実現できる。
【００３１】
本発明の高周波モジュールを、例えば、米国のＰＣＳシステムで使用されているＣＤＭＡ方式の携帯電話に搭載した場合について、その特徴を説明する。
【００３２】
アンテナでの送信出力は最大２３ｄＢｍと規定されており、またアンテナ共用器３のロスとしては約５ｄＢであるので、電力増幅回路２からは最大時で約２８ｄＢｍの信号が出力される。アンテナ共用器３の送信−受信間のアイソレーション特性は約５６ｄＢなので、受信信号出力端子５３での送信信号は、最大−２８ｄＢｍとなる。ローノイズアンプ８２には、この送信信号−２８ｄＢｍとシングルトーン妨害比の規格で決められた妨害信号（受信周波数の隣接チャネル（±１．２５ＭＨｚ）へアンテナ端子において約−３０ｄＢｍ）と、アンテナ端子において約−１０１ｄＢｍの受信信号の３信号が入力される。ローノイズアンプ８２は、非線形素子であるため、信号レベルの大きい送信信号と妨害信号により混変調が起こり、変調信号が受信周波数帯へ入り込む(クロスモジュレーションと呼ばれ、非線型素子の３次の項が原因)。この変調信号により、受信信号の誤り率を増加させてしまう。
【００３３】
ローノイズアンプ８２の出力での信号のイメージを図３に示す。ローノイズアンプ８２に入力される送信信号が大きいほど、変調信号のレベルは大きくなるので、誤り率が悪化する。つまり、送信回路と受信回路が近づき、受信回路における送信信号のアイソレーションが不十分となると、シングルトーン妨害比の規格が満たされなくなる。
【００３４】
そこで、本発明の高周波モジュールでは、バンドエリミネーションフィルタ４により、ローノイズアンプ８２へ入力される送信信号のレベルを削減しているので、受信周波数帯へ入り込む変調信号が削減され、受信信号の誤り率の増加を抑えられる。このバンドエリミネーションフィルタ４の周波数特性のイメージ図を図４に示す。このバンドエリミネーションフィルタ４の周波数特性は、アンテナ共用器３の送信―受信間のアイソレーション特性を補完する様な特性にする必要がある。
【００３５】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。    
図５に示す形態は、図１および図２に示す形態において、バンドエリミネーションフィルタ４が、電力増幅回路２への送信電力の大きさに応じて接続または切断するスイッチ７を介して設けられたものである。図５に示す形態において、バンドエリミネーションフィルタ４として直列共振を利用したものを用い、これを並列に追加する方法を採用している。このスイッチ７を用いる実施形態では、並列共振を利用したものを直列に追加する方法、具体的には、スイッチ７によって、直列に配置したバンドエリミネーションフィルタ４とこれを通過しないように設けられたバイパスラインとを切り替える方法も挙げられるが、この方法ではバンドエリミネーションフィルタ４と接続しない状態においても、スイッチ７のロスにより受信信号が減衰してしまうため、図５に示す形態とするのが好ましい。
【００３６】
図１および図２に示す実施形態のように、バンドエリミネーションフィルタ４を設けることによって、受信信号のロスが増加してしまう。一方、送信電力が小さい場合には、クロスモジュレーションの発生レベルが小さいので、バンドエリミネーションフィルタ４はそれほど必要はない。そこで、電力増幅回路２への送信電力が大きい場合にはバンドエリミネーションフィルタ４を機能させ、電力増幅回路２への送信電力が小さい場合にはバンドエリミネーションフィルタ４を機能させないような構造、すなわち電力増幅回路２への送信電力の大きさに応じて接続または切断するスイッチを設け、電力増幅回路２への送信電力が小さい場合にはスイッチを開放させる（切断する）ことで、受信信号のロスの影響を最小限にできる。
【００３７】
スイッチ７の構成は特に限定されないが、好ましくは、高周波信号をスイッチングする機能を持ち、小型で高いオフアイソレーションを持つものが良いので、ＧａＡｓトランジスタやシリコントランジスタを含む半導体素子で形成されている。または、ＰＩＮダイオードを利用したスイッチでも良い。
【００３８】
このスイッチ７の制御は、電力増幅回路２へ供給される制御信号を利用してなされる。すなわち、消費電流と歪みを最適化するために、送信信号の出力電力値に応じて電力増幅回路２の動作モードを切り替えるという手段があり、このとき動作モード制御端子５４から電力増幅回路２へ動作モード切替の制御信号が供給されるが、本発明はこの制御信号を利用してスイッチ７の接続または切断を切り替えようとするものである。なお、この制御信号は、ベースバンドから入力される（図示しない）。制御信号の利用に際しては、高周波モジュール内部での引き回しで完結でき、機器設計時における高周波モジュール外の外部回路の配線パターンが増加することもないというメリットも有している。
【００３９】
動作モードを切り替える出力電力値は、任意に設定できるが、例えば、電力増幅回路２の出力が１３ｄＢｍ以上の場合は、ハイパワーモードとし、電流を多く流すことで、電力増幅器２の歪みを抑える。このとき、スイッチ７は閉じてバンドエリミネーションフィルタ４と接続して、クロスモジュレーションの発生を抑制する。電力増幅回路２の出力が１３ｄＢｍ未満の場合は、ローパワーモードとし、電力増幅器２の歪みは少なくなるので消費電流を抑えるモードとし、スイッチ７を開放してバンドエリミネーションフィルタ４とは接続しない。これにより、バンドエリミネーションフィルタ４の持つ受信周波数帯のロスの影響を受けなくすることにより、装置の受信感度を改善できる。
【００４０】
なお、本発明としては、電力増幅回路２とアンテナ共用器３との間にアイソレータを接続し、電力増幅回路２の負荷変動による特性変化の影響を小さくした場合にも適用できる。その他、本発明としては送信フィルタ１を含まない構成なども採用でき、本実施形態に限定されず、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の高周波モジュールの一実施形態の回路構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の高周波モジュールの一実施形態の外観斜視図である。
【図３】ローノイズアンプの出力における信号のイメージを示す図である。
【図４】バンドエリミネーションフィルタ４の周波数特性のイメージを示す図である。
【図５】図１に示す高周波モジュールにスイッチを追加した本発明の高周波モジュールの他の実施形態の回路構成例を示すブロック図である。
【図６】従来の高周波モジュールの回路構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４２】
１    送信フィルタ
２    電力増幅回路
３    アンテナ共用器
４    バンドエリミネーションフィルタ
５１  送信信号入力端子
５２  アンテナ接続端子
５３  受信信号出力端子
５４  動作モード制御端子
６    モジュール基板
７    スイッチ
８１  入力整合回路
８２  ローノイズアンプ
８３  アンテナ
【図１】
2007124093.tif 000003
【図２】
2007124093.tif 000004
【図３】
2007124093.tif 000005
【図４】
2007124093.tif 000006
【図５】
2007124093.tif 000007
【図６】
2007124093.tif 000008